[논문]원전 정상가동조건 적용 방식이 원자로 압력용기 상부헤드 관통 노즐의 용접 잔류응력에 미치는 영향

남현석; 배홍열; 오창영; 김지수; 김윤재

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.9.1159

문제 정의

최근 국내에서는 유한요소 해석을 이용한 원자력 상부헤드 관통 노즐 용접부의 대한 인장 잔류응력 관련 연구는 많이 수행되고 있지만, 운전 조건을 반영하는 해석 기법에 대한 연구는 민감도 해석이 진행되고 있는 상황이다. 따라서 본 논문에서는 국내 원자력 발전소의 정상 운전 조건을 해석에 반영하는 방법에 따라 관통 노즐 용접부의 인장 잔류응력에 어떤 영향을 미치는지 확인하였다.
이러한 반복이 관통노즐 및 원자로 헤드의 잔류응력 분포에 미치는 영향 또한 무시할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 이러한 사항을 고려하여 가열과 냉각을 반복하는 가동 조건의 영향에 대한 평가를 수행하였다. 가열과 냉각을 반복하는 조건이 잔류응력 분포에 미치는 영향에 대한 정확한 파악을 위해 총 3 회의 가동 주기를 고려하여 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 국내 원자력 발전소의 상부헤드 CRDM 관통노즐 J-groove 용접부 잔류응력 해석 시 정상가동 조건을 해석에 반영하는 방법이 관통 노즐 용접부의 잔류응력에 미치는 영향에 대해 비교, 분석하였다. 정상가동 조건에 따른 온도 조건을 해석에 반영하기 위해 해석 조건을 세가지 방법으로 나누어 해석을 수행하였으며 각 해석조건에 따른 결과를 비교 분석하였다.
원자로 상부 헤드가열 시 상부헤드의 내면과 외면의 온도 구배에 따른 열응력 발생을 최소화하기 위해 원자력 발전소 설계사에서 제공하는 100℉/hr 의 속도로 온도를 상승/하강하였다. 본 논문의 3 장에서 정상가동조건의 해석 조건에 따른 잔류응력 분포를 확인하기 위해 다양한 유한요소 해석 조건을 고려하여 정상가동조건 해석방법에 따른 잔류응력 분포 변화를 확인하였다.
본 절에서는 원자로 외면의 자연 대류조건에 의한 내, 외면의 온도 구배가 잔류응력에 미치는 영향을 파악하기 위해 외부의 자연 대류 조건을 고려한 3.1 절과 3.2 절의 해석 조건과 달리 모든 절점에 정상 가동 조건에서의 최대온도만을 적용시켜 해석을 수행하였다. 본 해석 조건에서는 모든 절점에 최대온도인 319.
정상가동 조건에서 원자로는 내면부터 가열되며 앞서 언급한 것과 같이 온도 구배에 따른 열응력 발생을 최소화하기 위해 100℉/hr 의 속도로 온도를 상승/하강하게 된다. 이와 같은 정상가동 조건에서의 온도 상승/하강 조건을 해석에 적용시키는 방법에 따른 차이를 확인하기 위해 본 논문에서는 (1) 원자로 내면에서 열 대류에 의하여 가열한 뒤 외부의 자연 대류를 고려하는 방법 과 (2) 원자로 및 노즐의 내면의 절점(node)에 최대온도(가동온도)만를 적용 시킨 뒤 외부의 자연 대류를 고려한 해석 방법, 그리고 (3) 외부 대류 조건을 고려하지 않고 모든 절점(node)에 최대온도(가동온도)만을 고려하는 방법에 대한 비교를 하였다. 이와 같은 비교를 통해 원자로에 정상 가동온도를 입력하는 방법에 대한 민감도 해석을 수행하였고, 외부의 자연 대류에 의한 온도 구배가 정상 가동 조건에 미치는 영향에 대해 분석하였다.

가설 설정

^(13~15) 그리고 V_i, I_i, A_i 는 각 각 i 번째 용접비드에서의 용접 전압, 용접 전류, 용접 단면적을 나타내며, v 는 용접속도, △t 는 용접시간을 나타낸다. 용융 비드의 초기온도는 용접 재료의 용융온도인 1383℃로 가정하였다.^(8,10,13) 응력 해석은 과도 열해석으로부터 얻어진 각 절점에서의 온도이력을 받아 응력 해석이 수행되며, J-groove 용접 해석과 같이 다층 용접 시 용접부는 일련의 용접비드가 반복적으로 가열 및 냉각 되며 각 비드에서는 반복하중에 의한 응력 및 변형률이 누적되어 작용하게 된다.

제안 방법

유한요소 해석 수행 시 초기에 모든 용접부 비드를 비활성화 시킨 후 각 용접 순서에 맞춰 해당되는 용접 비드를 순차적으로 활성화 시켰다.⁽⁸⁾ 용접 잔류응력 해석은 용접에 대한 과도 열 해석(transient heat analysis)을 우선 수행하고 그 결과로 얻어진 시간에 따른 온도분포 결과를 통해 응력 해석을 수행하였다. (uncoupled heat transfer analysis)^(7~8,12,13) 열해석 시 입열은 ABAQUS 에서 제공하는 체적 열속을 통해 구현하였으며, 체적 열속은 식 (1)를 통해 각 용접 비드에서의 입열량을 산출하였다.
따라서 본 논문에서는 이러한 사항을 고려하여 가열과 냉각을 반복하는 가동 조건의 영향에 대한 평가를 수행하였다. 가열과 냉각을 반복하는 조건이 잔류응력 분포에 미치는 영향에 대한 정확한 파악을 위해 총 3 회의 가동 주기를 고려하여 해석을 수행하였다. 일차수응력부식균열(PWSCC)는 1 주기(18 개월)동안의 가동이 완료되어 원자로의 온도가 상온으로 돌아오는 지점의 온도가 아니라 장시간 일정한 가동 온도로 작동 될 때 발생하므로, 각 주기 별 해석 결과는 가동 중 온도인 지점에서 산출하였다.
일차수응력부식균열(PWSCC)는 1 주기(18 개월)동안의 가동이 완료되어 원자로의 온도가 상온으로 돌아오는 지점의 온도가 아니라 장시간 일정한 가동 온도로 작동 될 때 발생하므로, 각 주기 별 해석 결과는 가동 중 온도인 지점에서 산출하였다. 각 주기 별 정상가동조건 해석 조건은 3 장에서 비교하였던 것과 같이 내, 외면의 대류 조건을 고려한 해석 조건과 모든 절점에 동일한 온도 분포를 고려한 해석 조건으로 나눠 해석을 수행하였다. 내면의 절점에서 정상 가동 온도조건을 고려하고 외면의 자연 대류만을 고려한 해석 결과의 경우 내, 외면의 대류 조건을 고려한 해석 결과와 유사한 경향을 보여 본 장에서는 2 가지 해석 조건만을 비교하였다.
각 주기 별 정상가동조건 해석 조건은 3 장에서 비교하였던 것과 같이 내, 외면의 대류 조건을 고려한 해석 조건과 모든 절점에 동일한 온도 분포를 고려한 해석 조건으로 나눠 해석을 수행하였다. 내면의 절점에서 정상 가동 온도조건을 고려하고 외면의 자연 대류만을 고려한 해석 결과의 경우 내, 외면의 대류 조건을 고려한 해석 결과와 유사한 경향을 보여 본 장에서는 2 가지 해석 조건만을 비교하였다. 해석 결과는 Fig .
원자로에서 실제 발생되는 균열 사례를 보면 일차수응력부식균열(PWSCC)은 노즐 내면에서 주로 발생하며 특히 원주 방향 균열의 경우 J-groove 용접부 상부 1mm 지점에서 노즐 두께 방향으로 주로 발생한다. 따라서 본 논문에서는 정상 가동 해석 조건이 잔류응력에 미치는 영향에 대한 정량적인 비교를 위해 Fig. 7 와 같이 축 방향 응력은 용접부 상부 약 1mm 지점 (축 방향 응력 최대 지점)에서 추출하였으며, 원주 방향 응력은 그림과 같이 원자로 상부헤드 상부에서 하부까지 추출하여 비교하였다.
본 절에서는 내부의 열 대류 조건을 고려한 3.1 절과 달리 원자로와 노즐 내면의 절점에 정상 가동 조건에서의 최대 온도(가동온도)만을 적용 시킨 뒤 외부의 자연 대류 조건을 고려하여 해석을 수행하였다. 해석 수행 시에 원자로와 노즐 내면의 절점에는 원자력 발전소 정상가동 온도인 319.
2 절의 해석 조건과 달리 모든 절점에 정상 가동 조건에서의 최대온도만을 적용시켜 해석을 수행하였다. 본 해석 조건에서는 모든 절점에 최대온도인 319.44℃를 입력하여 정상 가동 조건에서의 잔류응력을 분포를 예측하였다.
본 해석 조건에서는 원자로 내, 외부의 대류 조건을 고려하여 해석을 수행하였다. 본 해석 조건은 응력 해석에 앞서 온도 분포에 대한 열 해석을 먼저 수행하고 그 결과로 얻어진 시간에 따른 온도이력을 통해 응력 해석을 수행한다는 특징을 가진다.
1 은 본 연구의 해석 대상인 상부헤드의 일반적인 형상을 보여준다. 상부헤드 노즐의 경사각도에 대한 민감도를 확인하기 위해 중앙부 노즐과 최외각 노즐을 선택하여 해석을 수행하였다. Fig.
앞서 언급한 것과 같이 J-groove 용접부에 대한 잔류응력 해석 기법은 국내외적으로 많이 연구 되고 있으며, 정상 가동 조건을 반영하지 않은 용접 잔류응력 해석 기법은 기존 연구의 해석 기법을 고려하여 수행하였다.
8 는 대류 조건을 고려한 해석조건에 대한 개략도이다. 외부의 대기와 만나는 원자로 외부는 자연대류(h=10W/m²K) 조건에서 해석을 수행하였으나, 내부의 열 유체에 의한 대류 계수 값은 자연대류 조건과 달리 일반적으로 50~1000W/m²K로 알려져 있어 이에 대한 민감도해석을 수행하였다. Fig.
5 은 원자력 발전소의 1 주기(18 개월,총 12960 시간) 동안의 정상 가동 조건에서의 온도 및 압력 이력을 의미한다. 원자로 상부 헤드가열 시 상부헤드의 내면과 외면의 온도 구배에 따른 열응력 발생을 최소화하기 위해 원자력 발전소 설계사에서 제공하는 100℉/hr 의 속도로 온도를 상승/하강하였다. 본 논문의 3 장에서 정상가동조건의 해석 조건에 따른 잔류응력 분포를 확인하기 위해 다양한 유한요소 해석 조건을 고려하여 정상가동조건 해석방법에 따른 잔류응력 분포 변화를 확인하였다.
^(8,10,13) 응력 해석은 과도 열해석으로부터 얻어진 각 절점에서의 온도이력을 받아 응력 해석이 수행되며, J-groove 용접 해석과 같이 다층 용접 시 용접부는 일련의 용접비드가 반복적으로 가열 및 냉각 되며 각 비드에서는 반복하중에 의한 응력 및 변형률이 누적되어 작용하게 된다. 이 때 응력 풀림효과를 고려하기 위해 본 해석에서는 재료의 용융점을 응력 풀림 온도로 설정하였다. 또한 본 해석에서는 각 재료의 가공경화를 구현하기 위해 등방성경화 모델을 사용하였다.
이와 같은 정상가동 조건에서의 온도 상승/하강 조건을 해석에 적용시키는 방법에 따른 차이를 확인하기 위해 본 논문에서는 (1) 원자로 내면에서 열 대류에 의하여 가열한 뒤 외부의 자연 대류를 고려하는 방법 과 (2) 원자로 및 노즐의 내면의 절점(node)에 최대온도(가동온도)만를 적용 시킨 뒤 외부의 자연 대류를 고려한 해석 방법, 그리고 (3) 외부 대류 조건을 고려하지 않고 모든 절점(node)에 최대온도(가동온도)만을 고려하는 방법에 대한 비교를 하였다. 이와 같은 비교를 통해 원자로에 정상 가동온도를 입력하는 방법에 대한 민감도 해석을 수행하였고, 외부의 자연 대류에 의한 온도 구배가 정상 가동 조건에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
내,외면의 대류 조건을 고려한 해석 조건과 원자로 및 노즐의 내면 절점에 같은 온도를 입력한 뒤 외면의 자연 대류조건을 고려한 해석의 경우 축 방향 잔류응력과 원주 방향 잔류응력 모두에 큰 차이가 없는 것을확인하였다. 이와 함께, 외부의 자연대류 조건 즉, 원자로 내, 외면의 온도 구배에 의한 영향을 확인하기 위해 앞선 해석조건에서의 결과와 모든 절점에 최대온도(가동온도)를 고려하여 해석을 수행한 결과를 비교 분석하였다. 해석 결과를 비교해보면 축 방향 잔류응력의 경우 해석 조건에 따른 차이가 크지 않지만, 원주 방향 잔류응력의 경우 외면의 자연대류를 고려한 해석 결과에 비해 자연대류를 고려하지 않은 해석 결과가 더 보수적인 경향을 보였다.
9 는 중앙부 노즐에서 원자로 내부의 유체에 의한 대류 계수에 대한 민감도 해석 결과이다. 일반적으로 유체의 대류 계수로 알려져 있는 수치의 범위 안에 포함되는 100, 1000, 10000W/m²K 의 값을 선택하여 유체의 대류 계수 값에 따른 상부 헤드 내, 외면의 온도 분포 변화에 대해 분석해 보았다. 내면과 외면의 온도는 Fig.
가열과 냉각을 반복하는 조건이 잔류응력 분포에 미치는 영향에 대한 정확한 파악을 위해 총 3 회의 가동 주기를 고려하여 해석을 수행하였다. 일차수응력부식균열(PWSCC)는 1 주기(18 개월)동안의 가동이 완료되어 원자로의 온도가 상온으로 돌아오는 지점의 온도가 아니라 장시간 일정한 가동 온도로 작동 될 때 발생하므로, 각 주기 별 해석 결과는 가동 중 온도인 지점에서 산출하였다. 각 주기 별 정상가동조건 해석 조건은 3 장에서 비교하였던 것과 같이 내, 외면의 대류 조건을 고려한 해석 조건과 모든 절점에 동일한 온도 분포를 고려한 해석 조건으로 나눠 해석을 수행하였다.
9 와 Table 2 에서 확인할 수 있다. 정상 가동 조건에서의 잔류응력에 대한 정확한 평가를 위해서는 최고 온도에 도달한 이후에서의 잔류응력을 평가하면 되기 때문에 유체에 의한 대류 계수 값은 1000W/m²K 를 고려하여 해석을 수행하였고 충분한 시간이 지난 후의 잔류응력 분포를 예측하였다.
정상가동 조건 입열 방식에 따른 용접 잔류응력의 영향을 확인하기 위해 민감도 해석을 수행하였다. 정상가동 조건에서 원자로는 내면부터 가열되며 앞서 언급한 것과 같이 온도 구배에 따른 열응력 발생을 최소화하기 위해 100℉/hr 의 속도로 온도를 상승/하강하게 된다.
본 논문에서는 국내 원자력 발전소의 상부헤드 CRDM 관통노즐 J-groove 용접부 잔류응력 해석 시 정상가동 조건을 해석에 반영하는 방법이 관통 노즐 용접부의 잔류응력에 미치는 영향에 대해 비교, 분석하였다. 정상가동 조건에 따른 온도 조건을 해석에 반영하기 위해 해석 조건을 세가지 방법으로 나누어 해석을 수행하였으며 각 해석조건에 따른 결과를 비교 분석하였다. 내,외면의 대류 조건을 고려한 해석 조건과 원자로 및 노즐의 내면 절점에 같은 온도를 입력한 뒤 외면의 자연 대류조건을 고려한 해석의 경우 축 방향 잔류응력과 원주 방향 잔류응력 모두에 큰 차이가 없는 것을확인하였다.
1 절과 달리 원자로와 노즐 내면의 절점에 정상 가동 조건에서의 최대 온도(가동온도)만을 적용 시킨 뒤 외부의 자연 대류 조건을 고려하여 해석을 수행하였다. 해석 수행 시에 원자로와 노즐 내면의 절점에는 원자력 발전소 정상가동 온도인 319.44℃의 온도를 고려하여 해석을 수행하였으며, 원자로 압력용기 외면의 자연 대류 조건(h=10W/m²K)을 고려하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

정수압 시험을 마친 기기는 정상가동 조건에 따라 실제 가동된다. 본 논문에서는 일반적인 W/H 형 원자로의 정상 가동 조건인 15.51MPa, 319.44℃의 압력과 온도를 고려하여 해석을 수행하였다.
6 는 중앙 노즐 및 최외각 노즐의 유한요소 망을 보여준다. 중앙부 노즐과 최외각 노즐 모두 3 차원 모델을 사용하였다. 두 모델 모두 8 절점 1 차요소를 사용하였으며, 중앙부 노즐의 경우 25,127 개의 절점과 23,946 개의 요소가 사용되었으며, 최외각 노즐의 경우 51,451 개의 절점과 49,851 개의 요소가 사용되었다.

이론/모형

⁽⁸⁾ 용접 잔류응력 해석은 용접에 대한 과도 열 해석(transient heat analysis)을 우선 수행하고 그 결과로 얻어진 시간에 따른 온도분포 결과를 통해 응력 해석을 수행하였다. (uncoupled heat transfer analysis)^(7~8,12,13) 열해석 시 입열은 ABAQUS 에서 제공하는 체적 열속을 통해 구현하였으며, 체적 열속은 식 (1)를 통해 각 용접 비드에서의 입열량을 산출하였다.
이 때 응력 풀림효과를 고려하기 위해 본 해석에서는 재료의 용융점을 응력 풀림 온도로 설정하였다. 또한 본 해석에서는 각 재료의 가공경화를 구현하기 위해 등방성경화 모델을 사용하였다.
본 연구에서는 ABAQUS 를 사용하여 용접잔류 응력 해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 용접 비드들이 순차적으로 생성하는 실제 용접과정을 모사하기 위해 ABAQUS 에서 제공하는 Model change 옵션을 사용하였다.
본 연구에서는 ABAQUS 를 사용하여 용접잔류 응력 해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 용접 비드들이 순차적으로 생성하는 실제 용접과정을 모사하기 위해 ABAQUS 에서 제공하는 Model change 옵션을 사용하였다. 유한요소 해석 수행 시 초기에 모든 용접부 비드를 비활성화 시킨 후 각 용접 순서에 맞춰 해당되는 용접 비드를 순차적으로 활성화 시켰다.

성능/효과

최근 해외 및 국내 원전의 원자로 상부 헤드 관통 노즐의 이종 용접부 주변에서 균열이 발생한 사례가 보고 되고 있으며, 관련 연구가 많이 수행 되고 있다.^(1~3) 상부 헤드 균열의 원인을 분석한 결과 용접에 의한 인장 잔류응력, 응력부식균열에 민감한 재료 그리고 농축된 붕산수의 결합으로 인한 일차수응력부식균열(PWSCC)이 원인인 것으로 판명되었다.^(4,5) 이러한 PWSCC 균열 진전의 주원인은 용접과 작용하중에 의한 인장잔류응력으로, 정확한 잔류응력 예측은 PWSCC 에 대한 균열평가의 중요한 요소이다.
해석 결과를 분석해보면 각 해석 조건에 따른 잔류응력 값의 차이는 보이고 있으나 반복 횟수에 따른 영향은 미미한 것으로 나타났다. 3 회의 주기 모두에서 동일하게 온도가 정상상태에 수렴하였을 때 응력 분포를 추출하였으며, 노즐의 구속 조건이 정상가동조건에 의해 큰 변형을 발생하지 않는 구속 조건이기 때문에 반복횟수에 따른 영향이 없는 것으로 분석된다. 이러한 경향은 중앙부 노즐과 최외각 노즐에서 동일하게 나타났다.
상부 헤드 내, 외면의 온도 차이 및 최고 온도, 최고 온도에 도달하는 시간을 Table 2 에 나타내었다. 내면에서의 유체의 의한 대류 계수에 따른 민감도 해석 결과 대류 계수의 차이는 과도상태 동안의 온도 구배에는 영향을 미치지만 본 논문에서 주요 관심사로 다루고 있는 정상상태에 도달한 시점에서의 상부헤드 내,외면의 온도 구배에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석 되었다. 일정값 이상의 대류 계수는 내, 외면의 온도 구배 및 최고 온도에 큰 영향을 주지 않고 최고온도 도달 시간에 영향을 미치는 것을 Fig.
내, 외면의 온도 구배가 고려된 해석 조건의 경우 내면의 온도가 외면의 온도보다 높게 계산되어 용접부에서의 인장잔류응력이 감소 되는 것으로 확인할 수 있다. 따라서 원자로 내, 외부의 정확한 온도 이력을 알기 힘든 경우, 정상가동 조건의 최고 온도 분포만을 고려한 해석 수행 시보다 보수 적인 해석 결과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 가동 주기의 반복이 잔류 응력 분포에 미치는 영향에 대한 해석을 수행하여 반복되는 가동조건이 잔류응력에 미치는 영향이 미미하다는 것을 확인하였다.
따라서 원자로 내, 외부의 정확한 온도 이력을 알기 힘든 경우, 정상가동 조건의 최고 온도 분포만을 고려한 해석 수행 시보다 보수 적인 해석 결과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 가동 주기의 반복이 잔류 응력 분포에 미치는 영향에 대한 해석을 수행하여 반복되는 가동조건이 잔류응력에 미치는 영향이 미미하다는 것을 확인하였다. 이와 같은 경향은 중앙부 노즐과 최외각 노즐에서 동일하게 나타났다.
10 은 내, 외부의 열 대류 조건을 고려한 해석 결과와 원자로 및 노즐 내면의 절점에 동일한 온도 분포를 고려한 뒤 외부의 자연 대류 조건을 고려한 해석 결과 그리고 모든 절점에 동일한 온도 분포를 고려한 잔류응력 해석 결과를 보여준다. 외부의 자연 대류 조건을 고려한 두 가지 해석조건의 해석결과를 분석해보면 축 방향 잔류응력과 원주 방향 잔류응력 모두 유사 결과를 보여 원자로 내면의 열을 가하는 해석 조건에 의한 영향이 미미한 것으로 나타났다. 외부의 자연 대류를 고려하지 않고 모든 절점에 동일한 온도분포를 고려한 해석 조건의 해석결과를 분석해보면 축 방향 잔류응력은 다른 해석 방법과 유사한 해석 결과를 보이고 있지만, 원주방향 잔류응력의 경우 외부의 자연 대류를 고려하지 않은 모델이 더 높은 응력 분포를 나타내고 있는 것으로 확인 되었다.
외부의 자연 대류 조건을 고려한 두 가지 해석조건의 해석결과를 분석해보면 축 방향 잔류응력과 원주 방향 잔류응력 모두 유사 결과를 보여 원자로 내면의 열을 가하는 해석 조건에 의한 영향이 미미한 것으로 나타났다. 외부의 자연 대류를 고려하지 않고 모든 절점에 동일한 온도분포를 고려한 해석 조건의 해석결과를 분석해보면 축 방향 잔류응력은 다른 해석 방법과 유사한 해석 결과를 보이고 있지만, 원주방향 잔류응력의 경우 외부의 자연 대류를 고려하지 않은 모델이 더 높은 응력 분포를 나타내고 있는 것으로 확인 되었다. 이러한 결과는 내, 외면의 온도 구배가 고려된 해석 조건의 경우 내면의 온도가 외면의 온도보다 높게 계산되어 용접부에서 인장잔류응력이 감소 되는 것으로 예상할 수 있다.
11 에 나타내었다. 해석 결과를 분석해보면 각 해석 조건에 따른 잔류응력 값의 차이는 보이고 있으나 반복 횟수에 따른 영향은 미미한 것으로 나타났다. 3 회의 주기 모두에서 동일하게 온도가 정상상태에 수렴하였을 때 응력 분포를 추출하였으며, 노즐의 구속 조건이 정상가동조건에 의해 큰 변형을 발생하지 않는 구속 조건이기 때문에 반복횟수에 따른 영향이 없는 것으로 분석된다.
이와 함께, 외부의 자연대류 조건 즉, 원자로 내, 외면의 온도 구배에 의한 영향을 확인하기 위해 앞선 해석조건에서의 결과와 모든 절점에 최대온도(가동온도)를 고려하여 해석을 수행한 결과를 비교 분석하였다. 해석 결과를 비교해보면 축 방향 잔류응력의 경우 해석 조건에 따른 차이가 크지 않지만, 원주 방향 잔류응력의 경우 외면의 자연대류를 고려한 해석 결과에 비해 자연대류를 고려하지 않은 해석 결과가 더 보수적인 경향을 보였다. 내, 외면의 온도 구배가 고려된 해석 조건의 경우 내면의 온도가 외면의 온도보다 높게 계산되어 용접부에서의 인장잔류응력이 감소 되는 것으로 확인할 수 있다.

후속연구

이와 같은 경향은 중앙부 노즐과 최외각 노즐에서 동일하게 나타났다. 이러한 결과는 정상가동조건에 따른 해석 결과에 대한 정확성 향상과 함께 반복되는 가동 조건에서의 보다 정확한 잔류응력 예측을 가능하게 함으로써 상부헤드 관통노즐에서 발생하는 일차수응력부식균열 예측에 대한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자력발전소의 원자력압력용기는 무엇이 일어나는 장소인가?	원자력발전소의 원자력압력용기는 내부에서 핵분열이 일어나는 장소로 원자력 발전소 마다 차이가 있지만 정상가동 중에는 평균적으로 15.5 MPa, 310℃ 정도의 압력과 온도가 원자로압력용기에 작용한다.
	원자로압력용기의 구성요소?	5 MPa, 310℃ 정도의 압력과 온도가 원자로압력용기에 작용한다. 원자로압력용기는 상부헤드 및 하부헤드 중앙 몸통으로 구성되어 있다. 상부헤드에는 출력 제어 및 정지용 제어봉이 통과하는 노즐이 있으며 이러한 관통노즐은 상부헤드와 J-groove 용접으로 고정되어 있다.
	일차수응력부식균열의 주원인은 무엇인가?	(1~3) 상부 헤드 균열의 원인을 분석한 결과 용접에 의한 인장 잔류응력, 응력부식균열에 민감한 재료 그리고 농축된 붕산수의 결합으로 인한 일차수응력부식균열(PWSCC)이 원인인 것으로 판명되었다.(4,5) 이러한 PWSCC 균열 진전의 주원인은 용접과 작용하중에 의한 인장잔류응력으로, 정확한 잔류응력 예측은 PWSCC 에 대한 균열평가의 중요한 요소이다. 최근 국내에서는 유한요소 해석을 이용한 원자력 상부헤드 관통 노즐 용접부의 대한 인장 잔류응력 관련 연구는 많이 수행되고 있지만, 운전 조건을 반영하는 해석 기법에 대한 연구는 민감도 해석이 진행되고 있는 상황이다.

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원전 정상가동조건 적용 방식이 원자로 압력용기 상부헤드 관통 노즐의 용접 잔류응력에 미치는 영향
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